ここまできたスマート農業・人手不足と効率化に農業ロボットが活躍
（出典：Emmy Ljs/stock.adobe.com、AIで生成）
産業用ロボットは1950年代から存在していますが、その機能と知能は、新素材、新技術、製造技術、およびコンピューティング技術の進歩に伴い、着実に進化してきました。現在、エンジニアは、高度なコンピュータサイエンス、センサ、制御技術を駆使して、現代の農業用ロボットを急速に進化させています。この進化の一部には、意思決定プロセス、物体認識、高度な制御および実行技術など、農業用ロボットの「インテリジェント」な側面の一部の改良も含まれます。
現在、さまざまな農業工程で使用される農業用ロボットには多くの種類があります。農業用途にかかわらず、これらのロボットの多くは、マルチセンサ機能、高度な視覚画像処理システム、複雑なアルゴリズム、安定性と機動性に優れたプラットフォーム、柔軟な移動制御など、同様のコア技術を利用しています。このブログでは、これらの技術の活用により、多様な農業用ロボットがスマート農業の現在と未来をどのように形作っているかについて考察します。
農業用ロボットとは？
まず、農業用ロボットの定義から見ていきましょう。農業用ロボットとは、農業や農作業において特定の作業を行うために設計された、自律型および半自律型の機械です。多くのスマートロボットと同様に、高度な知覚能力と自律的な意思決定能力を備え、高い精度、正確性、効率でタスクを実行することができます。人間労働者は疲労や過酷な環境条件によって作業が妨げられますが、農業用ロボットは、さまざまな農業環境における要求に長時間にわたって対応し、最適な生産性を維持するように設計されています。
農業は複雑で環境の変化が激しい分野であるため、これらのロボットには、高い適応性、正確なナビゲーション、障害物を効果的に回避する能力が必要とされます。これらのコア機能を最優先事項として開発が進められている農業用ロボットは、以下の 4 つの主要部品で構成されています。
- ビジョンシステム： 熱、飛行時間（TOF）、カラーおよび深度（RGB-D）、マルチスペクトルカメラを使用して、データを画像として取り込みます。
- 制御システム：意思決定および動作計画の運用を支援します。多くの人工知能（AI）および機械学習（ML）アルゴリズムは、農業用ロボットにインテリジェントな意思決定機能を統合しています。
- 機械式アクチュエータ：特定の機能を果たす外部把持ツールや付属装置の精密な動作に不可欠です。
- 移動プラットフォーム：周囲の状況や性能を観察しながら、障害物を回避して正確なナビゲーションを可能にします。移動プラットフォームの駆動システムは、電気式、空気圧式、または油圧式のいずれかです。
ほとんどの農業用ロボットは車輪やキャタピラーを使用して移動しますが、用途によってはドローンやその他の無人航空機（UAV）も選択肢となります。農業用ロボットは、視覚センサ、全地球測位システム（GNSS）センサ、光検出および測距（LIDAR）センサ、赤外線（IR）センサを組み合わせて、周囲の環境を認識します。さまざまなセンサを組み合わせることで、農業用ロボットは、センサの出力に基づいて、環境内を自律的に移動し、さまざまな物体や障害物を検出することができます。これらのロボットはさまざまな形状やサイズがあるため、搭載するセンサの数は、ロボットのサイズ（物理的に搭載できる数）や、制約のある環境を移動するために必要な数や種類によって異なります。さらに、農業用ロボットは屋外（農地）と屋内（温室）の両方で使用されるため、使用する環境に応じて必要なセンサの数や種類も異なります。
農業用ロボットの最も重要な資産の一つは、そのアタッチメント、付属部品、および末端装置です。これらの部品は、ロボットが物理的に作業を行うことを可能にするためです。これらがない場合、ナビゲーション、自動化、意思決定の能力は意味をなさず、ロボットは特定の機能を果たさずにただ移動するだけになります。ロボットの末端装置は、人間の腕や指と同義であり、ロボットの目的とする作業に応じてさまざまな形態があり、指型装置、針、スプレーノズル、ロボットアーム、はさみ、アトラクタなどがあります。これらの異なるエンドデバイスにより、ロボットは、摘み取り、収穫、種まき、農薬散布、植え付けなどの農業作業を行うための、さまざまな持ち上げ、切断、取り付け、押し付けなどの動作を行うことができます。
ロボット工学による効率的な作物生産
農業部門は、従来、肉体的に過酷で時間のかかる手作業に支えられてきました。農業用ロボットは、労働力を削減し、収穫から広大な農地への農薬散布に至るまで、さまざまな農業プロセスを効率化し、農業生産の向上につながっています。農業分野におけるメリットを考慮すると、農業用ロボットの展開は、現状よりも効率的に設計できる新しい分野が出現するにつれて、その種類がますます拡大し、多様化しています。
大規模な農作物の管理と、果物や野菜のより繊細な収穫要件との違いを考慮すると、農業用ロボットは、畑用ロボットと果物・野菜用ロボットに分けられる傾向があります。作物の各領域では、その固有の作業を実行するために、異なる設計仕様（特に付属品の設計）が必要となります。
フィールドロボット
フィールドロボットは、主にさまざまな作物の生産作業を行う自律移動ロボット（AMR）です。フィールドで使用されているロボットの多くは、小型ロボットから完全自律型のトラクターや収穫機まで、車輪を使用して移動しています。フィールドロボットに割り当てられた主な作業は、耕作、播種、収穫、データ収集、および作物の保護です。
例えば、耕うんロボットは、労働集約的で反復的な作業である土地の耕作を行います。耕うんロボットは、すでに人間の労働力の必要性を削減し、栽培の品質と効率を向上させています。[1] 生産性と効率性を高めることで、耕うんロボットは農業ロボット業界においてよく発達した分野となっています。多くの耕うんロボットは、デジタル農業において重要な役割を果たすインテリジェントロボットだからです。
さらに、播種ロボットは畑に種をまき、毎回正確な位置に正確に種をまきます。これにより、農家は時間とコストを節約できます。このプロセスにおいて、播種ロボットは土掘り、種まき、種覆いの作業を行い、一部の機種では肥料や水を種に追加することも可能です。さまざまな種類の播種ロボットが存在しており、スマート農業のもう一つの発展分野であることを示しています。
また、別の例としては、作物の収穫ロボットが農業のデジタル化に貢献しています。作物の収穫ロボットの一種である稲刈り機は、長年にわたり使用されています。それでも、ディープラーニングなどの高度なアルゴリズムの進歩により、近年、これらの収穫機は半自動から完全自動のロボットへと変化しました。
もう 1 つの重要な分野ロボットは、農家が農作物の栽培に関する「目に見えない」意思決定を行うのを支援するために、畑でさまざまな情報を収集するデータ収集ロボットです。ロボットは、人間よりもはるかに幅広いデータを収集するだけでなく、その収集もより効率的かつ正確に行います。これらのロボットが収集したデータは、農家が生産性を向上させ、長期的なコストを削減するだけでなく、作物の病気や害虫を検出するのにも役立ちます。
もちろん、作物を保護しなければ、生産性向上のためにデータを利用しても意味がありません。そこで登場するのが、作物保護ロボットです。これは、主にUAVを使用して農作物に農薬散布を行う、数少ないフィールドロボットのひとつです。UAV は、高度な制御アルゴリズムにより、正確な農薬散布を行い、人間、作物の収穫量、および環境への潜在的な被害を軽減します。
果物と野菜のロボット
農作物の畑のほかに、農業用ロボットは、果物や野菜の収穫、選別、植え付けといったより繊細な作業にも活用できます。近年、多くの国が人口の食糧需要を満たすための労働力不足に直面しています。[2]―これは、収穫量の減少や消費者価格の上昇につながる可能性があります。果物や野菜のロボットは、より多くの手作業を必要とせずに、果物や野菜の栽培面積を拡大することができます。この分野におけるロボットの主な種類としては、移植ロボット、果物や野菜の巡回ロボット、農薬散布ロボット、収穫ロボットがあります。
移植ロボットは、手作業による方法に比べて、精度、安定性、移植性能が向上します。これらのロボットは、高度な制御方法とエンドデバイスマニピュレータを使用してさまざまな植物を播種し、その性能は制御の精度によって決まります。一方、果物や野菜のパトロールロボットは、屋内および屋外の農場内を自律的に移動し、さまざまなセンサ機能を用いて情報を収集します。収集した情報は農家に送信され、さまざまな果物や野菜の成熟度を評価するために活用されます。環境パラメータのうち、生育過程に影響を与える可能性のあるものを確認し、対処すべき害虫がいるかどうかを検出します。
作物保護ロボットと同様に、果物や野菜用の農薬散布ロボットも存在し、農薬の使用過多に関する同じ手作業の問題に対処するのに役立っています。さまざまな農薬ロボットが、正確な散布作業を行うために開発されています。超音波センサ、流量制御システム、サーボ制御ノズルは、果物や野菜の農薬散布ロボットの設計において重要な要素です。これらは、より広い範囲に散布する畑のロボットよりも精度が要求されるためです。
果物や野菜の収穫ロボットは、熟した果物や野菜を大規模に収穫できる自動機械です。このロボットに搭載されたセンサは、広範囲の栽培エリアを検知し、熟した果物や野菜を検出して収穫します。ソフトとハードの両方のグリッパーエンドデバイスがピッキングに使用され、農産物の損傷を防ぐのに役立ちます。これらのピッキングロボットは、ピッキングするようにプログラムされている内容に応じて、一括収穫機または選択収穫機として使用できます。
まとめ
近年、ロボットの自律性は飛躍的に向上しています。農業用ロボットは数十年前から存在していますが、その機能は飛躍的に向上しており、高度な AI や機械学習アルゴリズムがさらに堅牢になるにつれて、さまざまな農業用ロボットの機能もさらに向上するでしょう。 この幅広いロボットは、大規模な農作物畑や果物や野菜の収穫など、農業生産の多くの分野で使用されており、手作業による労働力の必要性を軽減しています。現在、一部の地域では労働力不足や手作業による労働力の限界があり、さらに食糧生産の拡大ニーズが高まっていることから、農業用ロボットは生産効率の向上と農家の安全性の向上に貢献しています。
[1]https://www.mdpi.com/2075-1702/11/1/48
[2]https://agamerica.com/blog/the-impact-of-the-farm-labor-shortage